DE19520004A1 - Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor für den Nachweis einer Be­ schleunigung eines Fahrzeuges mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Beschleunigungssensoren werden für den Nachweis einer durch einen Stoß oder durch Zentrifugalkräfte zusammenstoßender Fahrzeuge erzeugten Beschleunigung verwendet. Die somit nachgewiesene Beschleunigung wird für die Steuerung ge­ eigneter Systeme verwendet, wie beispielsweise ein Airbagsystem. Bei herkömmli­ chen Beschleunigungssensoren dieser Art ist ein Piezowiderstand auf einem freitra­ genden Ausleger des Sensors befestigt. Wenn der Sensor einer Beschleunigung aus­ gesetzt ist, biegt sich der Ausleger wegen dieser Beschleunigung durch, wodurch eine Veränderung des Widerstandswertes des Piezowiderstandes hervorgerufen wird, so daß der Sensor die Beschleunigung nachweisen kann. Die JP-A-5-281251 of­ fenbart ein Beispiel eines Beschleunigungssensors mit vierseitig angeordneten Aus­ legern. Dabei wird ein viereckiger Rahmen von einer Siliziumplatte gebildet, bei dem von jeder der Seiten sich in Richtung der Mitte des Rahmens erstreckende Ausleger angeordnet sind, die mit einem in der Mitte angeordneten Gewicht verbunden sind. In jeder der Oberflächen der Ausleger ist ein Piezowiderstand ausgebildet, der durch einen Verunreinigungsdiffusionsprozeß erzeugt wird.

Wenn der zuvor beschriebene Beschleunigungssensor einer Beschleunigung ausge­ setzt wird, verändern sich die Widerstandswerte der Piezowiderstände in Abhängig­ keit von Verformungen, die in den Piezowiderständen durch die Durchbiegung der Ausleger hervorgerufen werden, wodurch der Sensor die Beschleunigung nachwei­ sen kann.

Da die Verformungen der Piezowiderstände durch die Durchbiegung der Ausleger hervorgerufen werden, hängt bei dem zuvor beschriebenen konventionellen Be­ schleunigungssensor die Empfindlichkeit im wesentlichen ausschließlich von der Elastizität jedes der Ausleger ab, mit der der Ausleger auf Beschleunigungen reagie­ ren kann. Um nun die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors zu verbessern, ist es notwendig, die Dicke jedes der Ausleger zu reduzieren, wodurch die Ausleger in ihrer Elastizität verbessert werden. Die somit in ihrer Elastizität verbesserten Ausleger können nun in genügendem Maße verformt werden, auch wenn der Sensor nur einer geringen Beschleunigung ausgesetzt wird, wodurch es den Piezowiderständen der Ausleger möglich ist, ihren Widerstandswert zu verändern. Da die Ausleger eine ge­ ringere Dicke aufweisen, weist der Sensor jedoch eine geringe mechanische Stabilität auf. Dieses ist ein inhärentes Problem konventioneller Beschleunigungssensoren.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sowohl die Empfindlichkeit als auch die mechanische Stabilität des Beschleunigungssensors zu verbessern.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Beschleuni­ gungssensors mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteil von Anspruch 1 gelöst. Da der freitragende Ausleger, auf dem die Schwingungsnachweisvorrichtung befestigt ist, mit einem der Befestigung dienenden Ende ausgestattet ist, das eine größere Ab­ messung als der übrige Teil des Auslegers aufweist und mit der Haltenut verbunden ist, weist der Ausleger eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Schwingungen auf, die in dem getragenen Ende des Auslegers hervorgerufen werden. Wegen dieser Beständigkeit ist der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor nur wenig störanfäl­ lig und sehr zuverlässig im Gebrauch.

Da der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor weiterhin mit einer Ausgleichsvor­ richtung ausgestattet ist, die denselben Aufbau wie die Schwingungsnachweisvor­ richtung aufweist, wird erfindungsgemäß keine separate Ausgleichsvorrichtung in ei­ nem externen Schaltkreis benötigt. Aus dem selben Grund weist die Ausgleichsvor­ richtung nahezu dieselben Ausgangseigenschaften wie die Schwingungsnachweis­ vorrichtung auf, wodurch der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor eine nahezu vollständige Kompensation der von der Schwingungsnachweisvorrichtung erzeug­ ten Ausgangssignale ermöglicht.

Mit dem zuvor beschriebenen Aufbau ist es zudem möglich, zusätzlich zu einer ein­ dimensionalen Beschleunigung auch eine zweidimensionale Beschleunigung nach­ zuweisen, wie beispielsweise eine Beschleunigung bei einer Drehbewegung, wobei sowohl die Größe als auch die Richtung der Drehbewegung nachweisbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wozu auf die Zeichnung verwiesen werden darf. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in einer Draufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Beschleunigungssensors,

Fig. 2 im Querschnitt den erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor entlang der in Fig. 1 dargestellten Linie A-A,

Fig. 3 im Querschnitt den erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor entlang der in Fig. 1 dargestellten Linie B-B,

Fig. 4 im Querschnitt den erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor entlang der in Fig. 1 dargestellten Linie C-C,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des in Fig. 1 dargestellten ersten Aus­ führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6 ein Beispiel eines elektrischen Schaltkreises, dessen Elemente elektrische Äquivalente zu denen des ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbei­ spiels des Beschleunigungssensors darstellen,

Fig. 7 ein weiteres Beispiel eines elektrischen Schaltkreises, dessen Elemente elektrische Äquivalente zu denen des ersten erfindungsgemäßen Aus­ führungsbeispiel des Beschleunigungssensors darstellen, wobei die ex­ ternen Anschlüsse für eine praktische Verwendung dargestellt sind,

Fig. 8 einen Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Trägers des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors,

Fig. 9 in einer Draufsicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsge­ mäßen Beschleunigungssensors,

Fig. 10 ein Beispiel eines elektrischen Schaltkreises, dessen Elemente elektrische Äquivalente zu denen des zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbei­ spiels des Beschleunigungssensors darstellen, und

Fig. 11 ein weiteres Beispiel eines elektrischen Schaltkreises, dessen Elemente elektrische Äquivalente zu denen des zweiten erfindungsgemäßen Aus­ führungsbeispiels des Beschleunigungssensors darstellen, wobei externe Anschlüsse für eine praktische Verwendung dargestellt sind.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Beschleunigungssensor mit freitragenden Ausle­ gern dargestellt, der folgenden Aufbau aufweist. Eine Halterung 1 ist mit einem Paar von Auslegern 2 und 3 versehen, die beide einen freitragenden Ausleger bilden. Ein erster Piezowiderstand 4 und ein zweiter Piezowiderstand 5 sind für den Nachweis von Schwingungen auf den Auslegern 2 und 3 ausgebildet. In beiden schwingenden Enden der Ausleger 2 und 3 ist ein Gewicht ausgebildet und auf einer Seite der Halte­ rung 1 ist ein Paar von Piezowiderständen 6 und 7 für einen Ausgleich ausgebildet.

Die Halterung 1, die aus Si (100) besteht, weist eine im wesentlichen flache viereckige Form auf. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist in der oberen Oberfläche der Halterung 1 mit Hilfe eines geeigneten Verfahrens, wie beispielsweise das CVD-Verfahren, ein Si- OxNy-Film 9 mit einer Dicke von ungefähr 2 µ ausgebildet. Eine bevorzugte Dicke (d. h. die in Fig. 2 dargestellte Höhe) der Halterung 1 ist ungefähr 500 µ.

Bei dem erfindungsgemäßen ersten Ausführungsbeispiel ist die Halterung 1 mit einer Öffnung 1a versehen, die entlang einer Seite F des Rahmens 1 gegenüberliegend aus­ gebildet ist. Ausgehend von den Eckenteilen 1b und 1c der Seite F sind die Ausleger 2 und 3 sich in Richtung der Mitte des Rahmens 1 erstreckend angeordnet, auf denen der SiOxNy-Film 9 ausgebildet ist, wie es in den Fig. 1 und 5 dargestellt ist. Die Aus­ leger 2 und 3 sind mit hohlen Teilen 2a und 3a versehen. Wie in den Fig. 1 und 4 deutlich wird, erstrecken sich im wesentlichen viereckig ausgebildete, horizontale Flansche 2b und 3b von den gegenüberliegenden Enden der hohlen Teile 2a und 3b nach außen.

Jedes der getragenen Enden der Ausleger 2 und 3 ist integral mit dem SiOxNy-Film 9 ausgebildet, der in der oberen Oberfläche der Halterung 1 wie zuvor beschrieben ausgebildet ist. Jedes der anderen Enden, also die schwingenden Enden der Ausleger 2 und 3 erstrecken sich in Richtung der Mitte der Öffnung 1a der Halterung 1 und sind mit einem Gewicht 8 verbunden, wobei die obere Oberfläche 8b integral mit denen der Ausleger 2 und 3 ausgebildet ist. Wie in den Fig. 2 und 5 dargestellt ist, sind die schwingenden Enden der Ausleger 2 und 3 miteinander über die obere Oberfläche 8b des Gewichtes 8 verbunden.

Wie aus den Fig. 1 und 5 deutlich wird, sind die Flansche 2b und 3b der Ausleger 2 und 3 im rechten Winkel nach außen gebogen, um somit nach außen gebogene Teile in den entsprechenden getragenden Enden der Ausleger 2 und 3 zu bilden. Die Hal­ terung 1 ist mit einer Mehrzahl von Einkerbungen 1d versehen, die entsprechend der umgebogenen Teile der Flansche 2b und 3b der Ausleger 2 und 3 angeordnet sind. In diesen Einkerbungen 1d erstreckt sich der auf der oberen Oberfläche der Halte­ rung 1 ausgebildete SiOxNy-Film 9 auf die Flansche 2b und 3b, um deren Seiten­ wände zu bedecken, so daß der SiOxNy-Film 9 mit den Flanschen 2b und 3b verbun­ den ist.

Obwohl in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Paar von Auslegern 2 und 3 mit ihren vorderen bzw. schwingenden Enden miteinan­ der verbunden ist, um sozusagen einen zweibeinigen freitragenden Ausleger zu bil­ den, ist es ebenso möglich, diese Ausleger durch einen einzigen freitragenden Ausle­ ger zu ersetzen. Solch ein einzelner freitragender Ausleger ist mit einer zentral ange­ ordneten dreieckigen Öffnung versehen und sein getragenes Ende hat dabei eine größere Ausdehnung als das vordere bzw. schwingende Ende. In diesem Fall ent­ spricht diese dreieckige Öffnung der Öffnung, die durch die beiden Ausleger 2 und 3 und der Seite F der Halterung 1 umgeben ist, wie es in Fig. 1 für das erste Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.

Dementsprechend definiert eine entsprechende Öffnung in der Halterung 1 ein Paar von Auslegern 2 und 3. Wenn nun erfindungsgemäß das getragene Ende des Ausle­ gers, der aus dem Paar von Auslegern 2 und 3 gebildet ist, größere Abmessungen als die vorderen bzw. schwingenden Enden aufweist, verdreht sich ein solcher Ausleger nur schwer, wenn er Schwingungen ausgesetzt ist. Dementsprechend werden die Piezowiderstände 4 und 5, die im getragenen Ende des aus den Auslegern 2 und 3 gebildeten freitragenden Ausleger gebildet sind, im wesentlichen derselben Verfor­ mung ausgesetzt.

Wie zuvor beschrieben worden ist, ist das Gewicht 8 so angeordnet, daß es die schwingenden Enden der Ausleger 2 und 3 miteinander verbindet. Im ersten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Gewicht 8 aus einem aus Silizium bestehenden Körper 8a und dessen aus dem SiOxNy-Film 9 hergestellten oberen Oberfläche 8b (dargestellt in den Fig. 2 und 5) zusammengesetzt. Wenn der erfin­ dungsgemäße Beschleunigungssensor im Betrieb einer Beschleunigung ausgesetzt ist, bewegt sich das Gewicht 8, so daß Durchbiegungen der Ausleger 2 und 3 hervor­ gerufen werden. Zum Beispiel kann der Beschleunigungssensor der vorliegenden Erfindung einer vertikalen Beschleunigung unter Bedingungen, wie sie in Fig. 2 dar­ gestellt sind, ausgesetzt sein, so daß das Gewicht 8 durch eine Kraft bewegt wird, de­ ren Größe dem Produkt aus der Masse des Gewichts 8 und der Beschleunigung ent­ spricht, wodurch Durchbiegungen der Ausleger 2 und 3 hervorgerufen werden.

Wie in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt ist, sind der erste Piezowiderstand 4 und der zweite Piezowiderstand 5 aus mit Bor angereichertem oder Bor implantiertem Silizium in beiden unteren Oberflächen 2c und 3c der hohlen Teile 2a und 3a nahe der tra­ genden Enden der Ausleger 2 und 3 gebildet, wobei sich beide Piezowiderstände 4 und 5 entlang der Längsrichtung jedes der Ausleger 2 und 3 erstrecken und eine Dicke von beispielsweise ungefähr 1 µ aufweisen. Wie deutlich in Fig. 2 dargestellt ist, ist bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel jeder der beiden Piezowider­ stände 4 und 5 in jeder der unteren Oberflächen 2c und 3c der Ausleger 2 und 3 aus­ gebildet, so daß sich die Piezowiderstände 4 und 5 von einer Position außerhalb der Halterung 1 bis in eine Position zwischen der unteren Fläche des SiOxNy-Films 9, der auf der oberen Oberfläche der Halterung 1 angeordnet ist, und der Halterung 1 er­ strecken. Die Menge an Bor, mit dem das Silicium angereichert ist, um den ersten und den zweiten Piezowiderstand 4 bzw. 5 herzustellen, beträgt vorzugsweise minde­ stens 2 · 10¹⁹ cm^-3. Eine solch hohe Borkonzentration, mit der das Silizium angerei­ chert worden ist, verhindert, daß das so mit Bor angereicherte Silizium geätzt wird, wenn das mit Bor angereicherte Silizium einem anisotropen Ätzmittel wie beispiels­ weise Kaliumhydroxid (KOH) oder ähnlichem ausgesetzt ist.

Wie aus den Fig. 2 und 3 deutlich wird, sind in jeder der oberen Oberflächen der Ausleger 2 und 3 Kontaktlöcher 10 jeweils in der Nähe der sich gegenüberliegenden Enden des ersten und zweiten Piezowiderstandes 4 und 5 ausgebildet. Wie in Fig. 2 für die Halterung 1 dargestellt ist, sind die inneren Kontaktlöcher 10 des ersten und zweiten Piezowiderstandes 4 bzw. 5 mit einem ersten Leiter 11 verbunden. Wie wei­ terhin in Fig. 1 zu erkennen ist, ist der erste Piezowiderstand 4 mit einem zweiten Lei­ ter 12 durch das äußere der Kontaktlöcher 10 verbunden. Weiterhin ist der zweite Piezowiderstand 5 mit einer dritten Kontaktfläche 14c über das äußere seiner Kon­ taktlöcher 10 verbunden.

Der erste Leiter 11, der mit jedem der inneren Enden des ersten und zweiten Piezowi­ derstandes 4 und 5 verbunden ist, ist auf der oberen Oberfläche der Ausleger 2 und 3 ausgebildet. Mit anderen Worten, wie es in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, ist der erste Leiter 11 so angeordnet, daß ein Ende des ersten Leiters 11 mit dem inneren Ende des ersten Piezowiderstandes 4 überlappt, wobei der Ausleger 2 zwischen dem ersten Leiter 11 und dem ersten Piezowiderstand 4 angeordnet ist, und daß das Ende des er­ sten Leiters 11 mit dem inneren Ende des ersten Piezowiderstandes 4 durch das in­ nere der Kontaktlöcher 10 verbunden ist, die in der oberen Oberfläche des Auslegers 2 ausgebildet sind. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, erstreckt sich der erste Leiter 11 bis zum Gewicht 8 und ist in einem im wesentlichen rechten Winkel so umgebogen, daß er sich bis zum anderen Ausleger 3 erstreckt.

Das andere Ende des ersten Leiters 11, der in der oberen Oberfläche des Auslegers 3 ausgebildet ist, weist im wesentlichen denselben Aufbau auf, wie es in bezug auf sein erstes Ende beschrieben worden ist. Das bedeutet, daß der erste Leiter 11 an seinem anderen Ende mit dem inneren Ende des zweiten Piezowiderstandes 5 überlappt, während der Ausleger 3 zwischen dem ersten Leiter 11 und dem zweiten Piezowider­ stand 5 angeordnet ist, und daß das andere Ende des ersten Leiters 11 mit demselben inneren Ende des Piezowiderstandes 5 durch das innere der Kontaktlöcher 10 ver­ bunden ist, die in der oberen Oberfläche des Auslegers 3 ausgebildet sind.

Bei dem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel weist der erste Leiter 11 einen zweischichtigen Aufbau auf, der aus einer Chromschicht und einer Kupfer­ schicht besteht, wobei die Chromschicht eine Dicke von ungefähr 0.05 µ und die Kupferschicht ungefähr 0.2 µ aufweisen und wobei die Schichten auf der oberen Oberfläche des Gewichtes 8 mit Hilfe von Vakuumablagerung hergestellt sind.

Die Teile D und E der Halterung 1 bilden die tragenden Enden der Ausleger 2 und 3. Im Teil D ist der zweite Leiter 12 auf dem SiOxNy-Film 9 ausgebildet. Wie deutlich in den Fig. 1. 2 und 5 dargestellt ist, weist der zweite Leiter 12 an einem seiner beiden Enden eine Verbindung mit dem ersten Piezowiderstand 4 durch das äußere der Kon­ taktlöcher 10 auf, die in dem SiOxNy-Film 9 ausgebildet sind, wobei das andere Ende des zweiten Leiters 12 mit einem der Enden eines dritten Piezowiderstandes 6 über­ lappt und mit diesem verbunden ist, der auf dem SiOxNy-Film 9 ausgebildet ist. Der zweite Leiter 12 ist mit einer ersten Kontaktfläche 14a verbunden, die auf dem Si- OxNy-Film 9 an einer geeigneten Stelle nahe des zweiten Leiters 12 ausgebildet ist, um elektrisch mit einem äußeren Schaltkreis verbunden zu werden. Der zweite Leiter 12 und die erste Kontaktfläche 14a sind vorzugsweise aus Aluminium oder einem ähnlichen Leitermaterial während desselben Verfahrens hergestellt.

Weiterhin ist in der Fig. 1 dargestellt, daß im Teil E der Halterung 1 eine dritte Kon­ taktfläche 14c auf dem SiOxNy-Film 9 ausgebildet ist. Ein Teil der dritten Kontaktflä­ che 14c ist so angeordnet, daß sie mit dem äußeren Ende des zweiten Piezowider­ standes 5 überlappt, wobei der SiOxNy-Film 9 dazwischen angeordnet ist, und daß der Piezowiderstand 5 mit der Kontaktfläche 14c durch das äußere der Kontaktlöcher 10 verbunden ist, die in dem SiOxNy-Film 8 ausgebildet sind.

In der Halterung 1 des ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels ist die Seite F zwischen den Teilen D und E angeordnet, wobei auf der Seite F ein dritter und vierter Piezowiderstand 6 und 7 ausgebildet und so angeordnet sind, daß sie getrennt von­ einander in Längsrichtung der Seite F angeordnet und miteinander durch einen drit­ ten Leiter 13 verbunden sind, wie es in den Fig. 1 und 5 dargestellt ist.

Wie schon der erste und zweite Piezowiderstand 4 und 5 sind auch der dritte und vierte Piezowiderstand 6 und 7 bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel aus mit Bor angereichertem oder Bor-implantiertem Silizium hergestellt. Wie aus den Fig. 1 und 5 zu ersehen ist, erstreckt sich jeder dieser Piezowiderstände 6 und 7 in Längs­ richtung der Seite F der Halterung 1, um eine rechteckige Form mit derselben Dicke anzunehmen, wie es bei dem ersten und dem zweiten Piezowiderstand 4 und 5 der Fall ist.

Der dritte Leiter 13 weist nun folgenden Aufbau auf. Eines der beiden sich gegen­ überliegenden Enden des dritten Leiters 13 überlappt mit dem inneren der sich ge­ genüberliegenden Enden des dritten Piezowiderstandes 6 und das andere Ende des dritten Leiters 13 überlappt mit dem inneren der sich gegenüberliegenden Enden des vierten Piezowiderstandes 7. Das dazwischenliegende Teil des dritten Leiters 13 ist auf dem SiOxNy-Film 9 ausgebildet. Der dritte Leiter 13 des erfindungsgemäßen Aus­ führungsbeispiels hat einen zweischichtigen Aufbau, der aus einer Chromschicht mit einer Dicke von 0.05 µ und einer Goldschicht mit einer Dicke von ungefähr 0,2 µ be­ steht.

Wie in Fig. 5 dargestellt ist, überlappt ein Ende des zweiten Leiters 12 mit dem ande­ ren Ende des dritten Piezowiderstandes 6. Ein Teil der zweiten Kontaktfläche 14b überlappt mit dem anderen Ende des vierten Piezowiderstandes 7. Dabei sind die zweite und dritte Kontaktfläche 14b bzw. 14c vorzugsweise aus einem geeigneten Leitermaterial wie beispielsweise Aluminium oder ähnlichem hergestellt.

Fig. 6 zeigt einen entsprechenden elektrischen Schaltkreis, dessen Elemente elektri­ sche Äquivalente zu denen des Beschleunigungssensors des ersten erfindungsgemä­ ßen Ausführungsbeispieles mit dem zuvor beschriebenen Aufbau darstellen.

Im folgenden wird dieser Äquivalenzschaltkreis in Verbindung mit einem externen Schaltkreis beschrieben, der mit dem Äquivalenzschaltkreis verbunden ist. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Äquivalenzschaltkreis sind der dritte und vierte Piezowiderstand 6 und 7 in Serie zwischen der ersten Kontaktfläche 14a und der zweiten Kontaktflä­ che 14b angeordnet und miteinander verbunden. Weiterhin sind der erste und zweite Piezowiderstand 4 und 5 in Serie zwischen der ersten Kontaktfläche 14a und der drit­ ten Kontaktfläche 14c angeordnet und miteinander verbunden.

Obwohl in Fig. 1 weggelassen, sind Widerstände 32a und 32b mit den Kontaktflä­ chen 14b und 14c verbunden. Diese Widerstände 32a und 32b sind jeweils am ande­ ren Ende mit einem gemeinsamen Anschlußpunkt verbunden, über den der Äquiva­ lenzschaltkreis der vorliegenden Erfindung mit dem äußeren Schaltkreis verbunden ist. Ein Ausgangs- bzw. Nachweissignal des erfindungsgemäßen Beschleunigungs­ sensors entsteht dann zwischen der Kontaktfläche 14a und dem Anschlußpunkt 33.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Äquivalenzschaltkreises des erfin­ dungsgemäßen Beschleunigungssensors, in der der äußere Schaltkreis, mit dem der Äquivalenzschaltkreis zu verbinden ist, weggelassen worden ist. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ist beim Betrieb eine Gleichspannung V an der ersten Kontaktfläche 14a angelegt, wobei die zweite Kontaktfläche 14b mit einem Ende eines Stellwider­ standes 15a verbunden ist, wobei die dritte Kontaktfläche 14c mit einem Ende eines festen Widerstandes 15b verbunden ist und wobei die anderen Enden dieser Wider­ stände 15a und 15b geerdet sind.

Im Ergebnis entsteht ein Nachweissignal V₀ zwischen den Kontaktflächen 14b und 14c des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors. Dabei wird der Stellwiderstand 15a verwendet, um die Größe des Nachweissignales zu steuern.

Im Betrieb funktioniert der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor wie folgt:
Wenn beispielsweise während des Gebrauches der Beschleunigungssensor der vor­ liegenden Erfindung einer in senkrechter Richtung zur Zeichenebene der Fig. 1 ge­ richtete Beschleunigung ausgesetzt ist, wird eine Kraft auf das Gewicht 8 des Be­ schleunigungssensors ausgeübt, deren Größe dem Produkt aus der Masse des Ge­ wichtes 8 und der Beschleunigung entspricht, wodurch das Gewicht in eine Rich­ tung bewegt wird, die durch die Beschleunigung bestimmt ist.

Wegen der Bewegung des Gewichtes 8 werden die Ausleger 2 und 3 verbogen, so daß Verformungen des ersten und des zweiten Piezowiderstandes 4 und 5 hervorge­ rufen werden, wobei die Verformung der Größe der Verbiegung der Ausleger 2 und 3 entspricht. Wegen der so hervorgerufenen Verformungen und wegen des piezoelek­ trischen Effektes verändern der erste und der zweite Piezowiderstand 4 und 5 ihren Widerstandswerte. Im Falle des in Fig. 7 dargestellten Schaltkreises bewirken solche Veränderungen der Widerstandswerte in Abhängigkeit von der Beschleunigung daß der Beschleunigungssensor der vorliegenden Erfindung das Nachweissignal V₀ (in Fig. 7 dargestellt) erzeugt. Das in dieser Weise erzeugte Nachweissignal V₀, das der Beschleunigung entspricht, wird verwendet, um beispielsweise ein Airbagsystem ei­ nes Fahrzeuges wie beispielsweise eines Automobils zu steuern.

Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen des Beschleunigungssensors sind beide Ausleger 2 und 3 so im Querschnitt ausgestaltet, daß sie ein hohles Teil aufweisen, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Im Gegensatz dazu weist ein konventionel­ ler Beschleunigungssensor einen Ausleger auf, der in Form einer dünnen Platte aus­ gestaltet ist, auf der der Piezowiderstand ausgebildet ist. Dementsprechend weist der konventionelle Beschleunigungssensor eine geringe mechanische Stabilität auf, wäh­ rend er in hohem Maße empfindlich ist. Da die Ausleger 2 und 3 den zuvor beschrie­ benen Aufbau aufweisen, weisen die Ausleger 2 und 3 bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen des Beschleunigungssensors einen größeren Querschnitt als die dünne Platte des konventionellen Beschleunigungssensors auf. Weiterhin ist die Dicke jedes der Ausleger 2 und 3, auf denen der erste und der zweite Piezowider­ stand 4 und 5 ausgebildet sind, im wesentlichen gleich oder kleiner, als es bei der dünnen Platte des konventionellen Beschleunigungssensors der Fall ist, wodurch der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor eine gleich große oder größere Empfind­ lichkeit als der konventionelle Beschleunigungssensor aufweist.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten erfindungsgemaßen ist auf der oberen Oberfläche des ersten Leiters 11 eine dünne isolierende Schicht ausgebildet, die aus einem isolieren­ den Material hergestellt ist. Diese nicht in Fig. 8 dargestellte isolierende Schicht er­ streckt sich von ungefähr dem Gewicht 8 bis in die Nähe des gebogenen Teils des zweiten Leiters 12, wobei das gebogene Teil im wesentlichen im rechten Winkel ab­ gebogen ist. Auf der zuvor beschriebenen isolierenden Schicht ist weiterhin eine lei­ tende Schicht 16 ausgebildet, vorzugsweise als Kupferschicht 16.

Da die leitende Schicht 16 leicht schwingen kann, ist es möglich, die Schwingungen auf den ersten und zweiten Piezowiderstand 4 und 5 mit höchster Zuverlässigkeit zu übertragen, indem die leitende Schicht 16 auf dem ersten und dem zweiten Piezowi­ derstand 4 und 5 gebildet wird, wodurch der erfindungsgemäße Beschleunigungs­ sensor weiter in seiner Empfindlichkeit verbessert wird.

Im folgenden wird nun das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Be­ schleunigungssensor mit Bezug auf Fig. 9 beschrieben. In Fig. 9 sind die Teile, die identisch mit den in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Teile sind, mit denselben Bezugszei­ chen und Buchstaben versehen und werden auch nicht weiter erläutert. Die übrigen Teile des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, die von den in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Teilen abweichen, werden im folgenden beschrieben.

Im allgemeinen weist das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Be­ schleunigungssensors ein Paar von Beschleunigungssensoren entsprechend dem er­ sten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf, die symmetrisch miteinan­ der entlang der Seiten F der Halterungen 1 des ersten erfindungsgemäßen Ausfüh­ rungsbeispieles verbunden sind.

Wie in Fig. 9 dargestellt ist, ist eine Halterung 20 des Beschleunigungssensors mit ei­ nem Paar von Öffnungen 20a und 20b versehen, die getrennt voneinander in Längs­ richtung der Halterung angeordnet sind.

In jeder der Öffnungen 20a und 20b sind Ausleger 2 und 3, die denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, so angeordnet, daß sie sich in Richtung der Mitte jeder der Öffnungen 20a und 20b erstrecken und wobei deren schwingende Enden integral mit jeweils einem der Gewichte 8 ausgebildet sind.

Die Ausleger 2 und 3 des in Fig. 9 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels weisen dieselbe Querschnittsform wie die Ausleger 2 und 3 des in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel auf. Ebenfalls wie beim ersten Ausführungsbeispiel sind ein er­ ster bis vierter Piezowiderstand 21 bis 24 an der unteren Oberfläche der hohlen Teile 2a und 3a der Ausleger 2 und 3 des zweiten Ausführungsbeispiels ausgebildet.

Ein zentraler Steg 27 der in Fig. 9 dargestellten Halterung 20, durch den die Öffnun­ gen 20a und 20b voneinander getrennt sind, weist eine obere Oberfläche auf, auf der ein SiOxNy-Film 9 ausgebildet ist, auf dessen Oberseite ein fünfter und ein sechster Piezowiderstand 25 und 26 ausgebildet sind (dargestellt mit gepunkteten Linien). Der fünfte Piezowiderstand 25 und der sechste Piezowiderstand 26 sind so angeord­ net, daß sie sich getrennt voneinander in Längsrichtung des zentralen Steges 27 er­ strecken. Weiterhin sind der erste bis sechste Piezowiderstand 21 bis 26 verglichen mit den Piezowiderständen des in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel identisch groß und sind aus Bor angereichertem oder Bor-implantierten Silizium her­ gestellt. Dabei ist die Menge des zugefügten bzw. implantierten Bors dieselbe wie im ersten Ausführungsbeispiel.

In der linken Hälfte der Halterung 20, die in Fig. 9 dargestellt ist, ist der erste Leiter 11 auf den oberen Oberflächen (d. h. vorderen Oberflächen wie in Fig. 9 dargestellt) der Ausleger 2 und 3 ausgebildet. Durch den ersten Leiter 11 sind das innere der sich ge­ genüberliegenden Enden des ersten Piezowiderstandes 21 und das innere der sich gegenüberliegenden Enden des zweiten Piezowiderstandes 22 verbunden.

In der rechten Hälfte der in Fig. 9 dargestellten Halterung 20 ist der ersten Leiter 11 auf den oberen Oberflächen (d. h. den vorderen Oberflächen wie in Fig. 9 dargestellt) der Ausleger 2 und 3 ausgebildet. Durch den ersten Leiter 11 sind das innere der sich gegenüberliegenden Enden des dritten Piezowiderstandes 23 und das innere der ge­ genüberliegenden Enden des Piezowiderstandes 24 verbunden.

Weiterhin sind der fünfte und sechste Piezowiderstand 25 und 26 miteinander durch einen dritten Leiter 29 verbunden, der auf der oberen Oberfläche des zentralen Steges 27 der Halterung 20 ausgebildet ist. Vorzugsweise sind der erste und dritte Leiter 11 und 29 aus Legierungen aus Chrom und Gold hergestellt.

Des weiteren sind bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung der er­ ste bis vierte Piezowiderstand 21 bis 24 auf der unteren Oberfläche der Ausleger 2 und 3 wie beim ersten in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebil­ det. Dabei entsprechen die unteren Oberflächen der Ausleger 2 und 3 den mit 2c beim ersten in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel bezeichneten Teil. Der fünfte und der sechste Piezowiderstand 25 und 26 sind zwischen dem SiOxNy-Film 9 und der Halterung 20 ausgebildet. Dabei ist der SiOxNy-Film in der oberen Oberfläche (d. h. in der vorderen Oberfläche wie in Fig. 9 dargestellt) des zentralen Steges 27 der Halterung 20 ausgebildet.

Der erste, dritte und fünfte Piezowiderstand 21, 23 und 25 sind mit ihren anderen En­ den mit dem zweiten Leiter 28 über nicht dargestellte Kontaktlöcher verbunden, die im SiOxNy-Film 9 auf der oberen Oberfläche der Halterung 20 ausgebildet sind, wie es bei dem in Fig. 5 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Wie nun in Fig. 9 dargestellt ist, ist der zweite Leiter 28 mit einer seiner längeren Seitenteile mit einer ersten Kontaktfläche 30a verbunden, über die der Beschleunigungssensor des zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles mit einem geeigneten externen elektrischen Schaltkreis verbunden ist.

Weiterhin sind die anderen Enden des zweiten, vierten und sechsten Piezowiderstan­ des 22, 24, und 26 mit einer zweiten, sechsten und vierten Kontaktfläche 30b, 30d und 30c über entsprechende Kontaktlöcher verbunden, die in dem SiOxNy-Film 9 ausgebildet sind, der auf der oberen Oberfläche der Halterung 20 ausgebildet ist, was nicht in Fig. 9 dargestellt ist. Der Beschleunigungssensor des zweiten Ausführungs­ beispiel kann, wie in Fig. 9 dargestellt ist, mit einem geeigneten externen elektrischen Schaltkreis über die Kontaktflächen 30b, 30c und 30d verbunden sein.

Bei dem zuvor beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung werden die Piezowiderstände 21 bis 24 für den Nachweis von Schwingungen verwendet, während der fünfte und sechste Piezowiderstand 25 und 26 für einen Ausgleich verwendet werden.

Einen elektrisch äquivalenten Schaltkreis des erfindungsgemäßen Beschleunigungs­ sensors, der den zuvor dargelegten Aufbau aufweist, ist in Fig. 10 dargestellt. In die­ sem Äquivalenzschaltkreis sind der erste und zweite Piezowiderstand 21 und 22 in Serie zwischen der ersten und zweiten Kontaktfläche 30a und 30b angeordnet und miteinander verbunden. Weiterhin sind der fünfte und sechste Piezowiderstand 25 und 26 in Serie zwischen der ersten und dritten Kontaktfläche 30a und 30c ange­ ordnet und miteinander verbunden. Schließlich sind der dritte und vierte Piezowider­ stand 23 und 24 in Serie zwischen der ersten und der vierten Kontaktfläche 30a und 30d angeordnet und miteinander verbunden.

In Fig. 11 ist ein Beispiel eines Äquivalenzschaltkreises für eine praktische Verwen­ dung dargestellt, bei dem eine Gleichspannung V an der ersten Kontaktfläche 30a anliegt, wobei die zweite, dritte und vierte Kontaktfläche 30b, 30c und 30d über den ersten, den zweiten und den dritten Stellwiderstand 15a, 15b und 15c geerdet sind.

Im Ergebnis entsteht ein erstes Sensorausgangssignal V₁ zwischen der Verbindung des ersten mit dem zweiten Piezowiderstand 21 und 22 und der Verbindung des fünf­ ten mit dem sechsten Piezowiderstand 25 und 26. Weiterhin entsteht ein zweites Be­ schleunigungssensorausgangssignal V₂ zwischen der Verbindung des dritten mit dem vierten Piezowiderstand 23 und 24 und der Verbindung des fünften mit dem sechsten Piezowiderstand 25 und 26.

Im folgenden wird nun die Betriebsweise des zuvor beschriebenen erfindungsgemä­ ßen Beschleunigungssensor beschrieben, wobei der Beschleunigungssensor so an­ geordnet ist, daß der zentrale Steg 27 vertikal ausgerichtet ist.

Wenn nun der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor einer eindimensionalen Be­ schleunigung ausgesetzt wird, die senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 9 wie beim ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgerichtet ist, bewegen sich die Gewichte 8 in entgegengesetzter Richtung gegenüber der Beschleunigung, wodurch Widerstandsveränderungen im ersten bis vierten Piezowiderstand 21 bis 24 hervorgerufen werden. Im Detail wirken sich die durch die Schwingungen hervorge­ rufenen Veränderungen der Widerstandswerte des ersten und zweiten Piezowider­ standes 21 und 22 an der ersten Kontaktfläche 30b aus, während sich die Verände­ rungen der Widerstandswerte des dritten und vierten Piezowiderstandes 23 und 24 an der vierten Kontaktfläche 30d auswirken. Da im wesentlichen keine Differenz zwischen der Verschiebung des rechten und des linken Gewichtes 8 auftreten, ent­ steht im wesentlichen kein Unterschied zwischen den veränderten Widerstandswer­ ten.

Ist nun der Beschleunigungssensor einer zweidimensionalen Beschleunigung ausge­ setzt, ist also insbesondere sein zentraler Steg 27 einem Drehmoment ausgesetzt, so daß sich der Beschleunigungssensor um die Längsachse des zentralen Steges 27 dreht wenn sich also beispielsweise der in Fig. 9 dargestellte Beschleunigungssensor mit seiner rechten Hälfte nach vorne und mit seiner linken Hälfte nach hinten in zur Zeichenebene der Fig. 9 senkrechter Richtung wegen der zuvor genannten zweidi­ mensionalen Beschleunigung bewegt, arbeitet der Beschleunigungssensor wie folgt. Wegen der in den longitudinalen Richtungen des ersten und zweiten Piezowider­ standes 21 und 22 auftretenden Kompressionsbelastungen entstehen in diesen Pie­ zowiderständen 21 und 22 Kompressionsverformungen. Dagegen entstehen im dritten und vierten Piezowiderstand 23 und 24 wegen der in Längsrichtung auftre­ tenden Streckungsbelastung Streckungsverformungen auf.

Dementsprechend sind die zuvor genannten Widerstandswertsveränderungen des er­ sten und zweiten Piezowiderstandes 21 und 22 unterschiedlich gegenüber denen in den dritten und vierten Piezowiderstand 23 und 24, wodurch der Beschleunigungs­ sensor die Richtung und Größe des Drehmomentes durch Vergleich der Ausgangssi­ gnale V₁ und V₂ durch Verwendung eines geeigneten externen Schaltkreises be­ stimmen kann.

Zusammenfassend läßt sich also die vorliegende Erfindung folgendermaßen darstel­ len:

Bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor werden die Endteile der freitra­ genden Ausleger, auf denen die Schwingungsnachweisvorrichtungen befestigt sind, fest durch das Tragelement gehalten, wobei die getragenen Enden der freitragenden Ausleger größere Abmessungen als die anderen Teile der freitragenden Ausleger auf­ weisen. Dabei sind die freitragenden Ausleger so verbessert, daß sie eine größere me­ chanische Stabilität gegenüber konventionellen freitragenden Auslegern aufweisen, die konstante Abmessungen über ihre gesamte Länge aufweisen, so daß die erfin­ dungsgemäßen freitragenden Ausleger sowohl zuverlässiger als auch einfacher im Aufbau sind.

Da die Ausgleichsvorrichtung aus demselben Material wie die Schwingungsnach­ weisvorrichtungen hergestellt ist, ist es bei dem erfindungsgemäßen Beschleuni­ gungssensor nicht notwendig, eine separate Ausgleichsschaltung vorzusehen. Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor stellt also einen geeigneten Ausgleich ohne die Verwendung einer separaten Ausgleichsvorrichtung in Form eines äußeren Schaltkreises sicher.

Da die Piezowiderstände der Schwingungsnachweisvorrichtung und der Ausgleichs­ vorrichtung aus Bor angereichertem oder Bor-implantierten Silizium mit einer großen Borkonzentration hergestellt sind, liegt ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfin­ dung darin, daß es möglich ist, diese Piezowiderstände davor zu schützen, daß sie durch eine anisotrope Ätzflüssigkeit wie beispielsweise KOH oder andere geätzt werden.

Da weiterhin bei der vorliegenden Erfindung der freitragende Ausleger ein hohles Teil im Querschnitt aufweist, wird die effektive Querschnittsfläche des freitragenden Auslegers vergrößert, ohne daß gleichzeitig die Dicke des Auslegers selber vergrößert wird. Daher ist es möglich, den erfindungsgemaßen Beschleunigungssensor sowohl in seiner mechanischen Stabilität als auch in seiner Empfindlichkeit zu verbessern.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform sind benachbart angeordne­ te Öffnungen in der Halterung jeweils mit einer Nachweisvorrichtung für den Nach­ weis der Richtung einer zweidimensionalen Beschleunigung zusätzlich zu einer ein­ dimensionalen Beschleunigung vorgesehen. Wenn sich also die Halterung um deren zentralen Steg wegen eines auf die Halterung einwirkenden Drehmomentes dreht, sind die Richtungen der Durchbiegungen der freitragenden Ausleger in den beiden Öffnungen relativ zur Halterung verschieden. Daher sind die Ausgangssignale des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors wegen der unterschiedlichen Verfor­ mungen der Ausleger unterschiedlich, wodurch es möglich ist, daß der erfindungsge­ mäße Beschleunigungssensor die Richtung und Größe der zweidimensionalen Be­ schleunigung bestimmen kann, der der Beschleunigungssensor ausgesetzt ist.

Claims (6)

1. Beschleunigungssensor
mit mindestens einer Schwingungsnachweisvorrichtung und
mit einem die Schwingungsnachweisvorrichtung haltenden freitragenden Ausleger (2, 3),
wobei der Ausleger (2, 3) am schwingenden Ende mit einem Gewicht (8) versehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das getragene Ende des Auslegers (2, 3) eine größere Abmessung als der übrige Teil des Auslegers (3, 4) aufweist,
daß eine Halterung (1, 20) für das Tragen des Auslegers (2, 3) vorgesehen ist und
daß die Halterung (1, 20) eine Ausgleichsvorrichtung aufweist, die denselben Aufbau wie die Schwingungsnachweisvorrichtung aufweist.

2. Beschleunigungssensor nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede der Schwingungsnachweisvorrichtungen und jede der Aus­ gleichsvorrichtungen als Piezowiderstand (4, 5, 6, 7; 21, 22, 23, 24, 25, 26) ausgebil­ det ist.

3. Beschleunigungssensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezowiderstand (4, 5, 6, 7; 21, 22, 23, 24, 25, 26) aus mit Bor angereichertem Silizium mit einer Bor-Konzentration von ca. 2 · 10¹⁹ cm^-3 besteht.

4. Beschleunigungssensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausleger (2, 3) im Querschnitt ein hohles Teil (2a, 3a) auf­ weist.

5. Beschleunigungssensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (1) als Rahmen mit einer Öffnung (1a) ausgebildet ist, in der ein Paar von Auslegern (2, 3) angeordnet ist, deren schwingende Enden das Gewicht (8) tragen und die im wesentlichen rechtwinklig zueinander angeordnet sind.

6. Beschleunigungssensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Halterung (20) als Rahmen mit zwei benachbart angeordneten Öffnungen (20a, 20b) ausgebildet ist, zwischen denen ein zentraler, eine symmetrische Linie de­ finierender Steg (27) angeordnet ist, um den zwei Paare von Auslegern (2, 3) lini­ ensymmetrisch so angeordnet sind, daß je ein Paar von Auslegern (2, 3) in einer der Öffnungen (20a, 20b) angeordnet ist,
daß die schwingenden Enden jedes Paares von Auslegern (2, 3) über das Gewicht (8) miteinander verbunden sind und
daß Veränderungen der Widerstandswerte der in den Auslegern (2, 3) angeordneten Schwingungsnachweisvorrichtungen von jeder Öffnung (20a, 20b) getrennt ausge­ geben werden.